VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

REGULAČNÍ JEDNOTKA PRO TERÁRIUM

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MATEJ HOJDÍKAUTHOR

BRNO 2013

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

REGULAČNÍ JEDNOTKA PRO TERÁRIUM

TERRARIUM CONTROL UNIT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MATEJ HOJDÍKAUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE Ing. MICHAL KUBÍČEK, Ph.D.SUPERVISOR

BRNO 2013

VYSOKÉ UČENÍTECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav radioelektroniky

Bakalářská prácebakalářský studijní obor

Elektronika a sdělovací technika

Student: Matej Hojdík ID: 134491Ročník: 3 Akademický rok: 2012/2013

NÁZEV TÉMATU:

Regulační jednotka pro terárium

POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:

Navrhněte systém pro regulaci teploty, vlhkosti, ventilace a osvětlení terária, včetně programovatelnéhodávkovače vody. Systém umožní automatické řízení parametrů terária po dobu nejméně dvou týdnů.Řídicí jednotku vybavte vhodným uživatelským rozhraním pro snadné a intuitivní nastaveníautomatického programu.Na základě systémových požadavků navrhněte konkrétní obvodové zapojení řídicí jednotky apřípadných podpůrných modulů. Navrhněte mechanickou konstrukci zařízení a následně i plošné spojepro realizaci jednotky.Realizujte navrženou řídicí jednotku a vytvořte firmware pro řídicí mikroprocesor. Systém otestujte sohledem na funkčnost a spolehlivost, vyhodnoťte zjištěné parametry.

DOPORUČENÁ LITERATURA:

[1] ŠEDA, M., ŠVARC, I., VÍTEČKOVÁ, M Automatické řízení. 1. vydání. Praha: CERM, 2007.

[2] KRIEDL, M., Měření teploty – senzory a měřicí obvody. 1. vydání. Praha: BEN – technická literatura,2005.

[3] KREJČIŘÍK, A. Moderní spínané zdroje, 1. vydání. BEN - technická literatura, Praha, 1999

Termín zadání: 11.2.2013 Termín odevzdání: 31.5.2013

Vedoucí práce: Ing. Michal Kubíček, Ph.D.Konzultanti bakalářské práce:

prof. Dr. Ing. Zbyněk RaidaPředseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ:

Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmízasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následkůporušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávníchdůsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT

Cieľom práce bolo navrhnúť systém pre reguláciu teploty, vlhkosti a osvetlenia terária

vrátane programovateľného dávkovača vody. V práci sú rozobrané použiteľné prvky pre

reguláciu zadaných veličín. Následne je v práci vypracované hardvérové riešenie

regulačnej jednotky s vhodným užívateľským rozhraním. Nakoniec je pre

mikroprocesor navrhnutý firmware.

KĽÚČOVÉ SLOVÁ

teráriové regulačné moduly, ATmega16, SHT21, CFAH1602Z-TMI-ET, PCF8563

ABSTRACT

The aim of this work was to create system for tempereture, humidity and light

regulation of terrarium including programmable water dispenser. In this work there are

described suitable modules for regulation of required parameters. Subsequently there is

described hardware solution of regulation unit with suitable user interface. In the end

there is designed firmware for microprocesor.

KEYWORDS

modules of terrarium regulation, ATmega16, SHT21, CFAH1602Z-TMI-ET, PCF8563

HOJDÍK, M. Regulační jednotka pro terárium. Brno: Vysoké učení technické v Brně,

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, 2013.

46s., 8 s. příloh. Bakalářská práce. Vedoucí práce: Ing. Michal Kubíček, Ph.D.

PREHLÁSENIE

Prehlasujem, že svoju bakalársku prácu na tému Regulačná jednotka pre terárium som

vypracoval samostatne pod vedením vedúceho bakalárskej práce a s použitím odbornej

literatúry a ďalších informačných zdrojov, ktoré sú všetky citované v práci a uvedené v

zozname literatúry na konci práce.

Ako autor uvedenej bakalárskej práce ďalej prehlasujem, že v súvislosti s

vytvorením tejto bakalárskej práce som neporušil autorské práva tretích osôb, najmä

som nezasiahol nedovoleným spôsobom do cudzích autorských práv osobnostných

a/alebo majetkových a som si plne vedomý následkov porušení ustanovení § 11 a

nasledujúcich zákona č. 121/2000 Sb., o práve autorskom, o právach súvisiacich s

právom autorským a o zmene niektorých zákonov (autorský zákon), v znení neskorších

predpisov, vrátane možných trestnoprávnych dôsledkov vyplývajúcich z ustanovení

časti druhej, hlavy VI. diel 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

V Brne dňa .............................. ....................................

(podpis autora)

POĎAKOVANIE

Ďakujem vedúcemu bakalárskej práce Ing. Michalovi Kubíčekovi, Ph.D za účinnú

metodickú, pedagogickú a odbornú pomoc a ďalšie cenné rady pri spracovaní mojej

bakalárskej práce.

V Brne dňa .............................. ....................................

(podpis autora)

iv

OBSAH

Zoznam obrázkov vi

Zoznam tabuliek vii

Úvod 1

1 Teráriové regulačné prvky 2

1.1 Teráriové moduly ohrevu .......................................................................... 2

1.2 Teráriové moduly zvlhčovania ................................................................. 3

1.3 Osvetlenie ................................................................................................. 5

1.4 Dávkovanie vody ...................................................................................... 5

1.5 Vetranie, chladenie a znižovanie vlhkosti ................................................ 6

1.6 Výber regulačných prvkov ........................................................................ 7

2 Hardvér 8

2.1 Mikroprocesor ........................................................................................... 8

2.2 Senzor SHT21 ........................................................................................... 9

2.3 Obvod reálneho času ............................................................................... 11

2.3.1 I2C (TWI) zbernica ............................................................................. 12

2.4 Displej ..................................................................................................... 12

2.5 Snímanie výšky hladiny vody v napájadle ............................................. 13

2.6 Ovládanie ................................................................................................ 16

2.7 Spínanie modulov regulácie .................................................................... 16

2.8 Bluetooth komunikácia ........................................................................... 16

2.9 Zdroj napätia ........................................................................................... 17

3 Konštrukcia a návrh plošných spojov 18

3.1 Bloková schéma ...................................................................................... 18

3.2 Konštrukcia ............................................................................................. 18

4 Firmware 20

4.1 Popis programu a funkcií ........................................................................ 20

4.2 Menu a ovládanie .................................................................................... 21

v

5 Overenie funkčnosti a spoľahlivosti 23

6 Využitie v iných aplikáciách 24

Záver 25

Literatúra 26

Zoznam zkratiek 28

Zoznam príloh 29

vi

ZOZNAM OBRÁZKOV

Obr. 1.1 Príklad vyhotovenia vykurovacej fólie (prevzaté z [1]). .................................... 2

Obr. 1.2 Príklad vyhotovenia výhrevného kameňa (prevzaté z [2]). ................................ 3

Obr. 1.3 Príklad vyhotovenia ultrazvukového zvlhčovača vzduchu (prevzaté z [4]). ...... 4

Obr. 1.4 Príklad vyhotovenia ultrazvukového modulu zvlhčovača vzduchu (hmlovača). 4

Obr. 1.5 Príklad vyhotovenia výbojky určenej pre plazov a vtáctvo (prevzaté z [5]). ..... 5

Obr. 1.6 Príklad vyhotovenia vodného čerpadla. .............................................................. 5

Obr. 1.7 Náčrt vetracieho systému s dvoma ventilátormi. ................................................ 6

Obr. 1.8 Ukážka činnosti zvislo uloženého ventilátora so záklopkou. ............................. 7

Obr. 2.1 Rozloženie pinov pre puzdro TQFP44A (prevzaté z [7]). .................................. 8

Obr. 2.2 Maximálna tolerancie relatívnej vlhkosti pri 25°C pre rôzne prevedenia rady

SHT21 (prevzaté z [8]). ................................................................................. 9

Obr. 2.3 Maximálne tolerancie teploty pre rôzne prevedenia rady SHT21 (prevzaté z

[8]). ................................................................................................................. 9

Obr. 2.4 Fotografia senzoru SHT21 (prevzaté z [8]). ..................................................... 10

Obr. 2.5 Priebeh komunikácie senzoru SHT21 s Masterom (prevzaté z [8]). ................ 10

Obr. 2.6 Pinová konfigurácia obvodu PCF8563 pre rôzne puzdra (prevzaté z [9]). ...... 11

Obr. 2.7 Pripojenie zariadení na zbernicu I2C. ............................................................... 12

Obr. 2.8 Displej CFAH1602Z-TMI-ET. ......................................................................... 12

Obr. 2.9 Zapojenie optických závor pre hladinový senzor. ............................................ 14

Obr. 2.10 Náčrt hladinového senzoru s optickými závorami s detekciou nízkej hladiny

vody (a) a detekciou vysokej hladiny vody (b). ........................................... 15

Obr. 2.11 Náčrt hladinového senzoru fungujúceho na princípe zmeny frekvencie

zmenou indukčnosti. .................................................................................... 15

Obr. 2.12 Výstupný signál z rotačného enkóderu pre jeden smer. ................................. 16

Obr. 2.13 Zapojenie navrhnutého zdroja. ....................................................................... 17

Obr. 3.1Bloková schéma navrhnutej regulačnej jednotky. ............................................. 18

Obr. 3.2 Čelná strana regulačnej jednotky. ..................................................................... 18

Obr. 3.3 Zadná strana regulačnej jednotky. .................................................................... 19

Obr. 4.1 Úvodná obrazovka. ........................................................................................... 21

Obr. 4.2 Ukážka menu pre nastavenie teploty. ............................................................... 21

Obr. 5.1 Ukážka funkčnosti regulačnej jednotky. .......................................................... 23

vii

ZOZNAM TABULIEK

Tab. 1-1 Prehľad výkonov a priemernej cenovej relácie jednotlivých druhov

vykurovacích telies. ....................................................................................... 3

Tab. 2-2 Popis pinov displeja [11]. ................................................................................. 13

1

ÚVOD

Pre chov živočíchov je dôležité, aby sa umelo vytvorené prostredie pre ich život čo

najvernejšie podobalo prirodzeným podmienkam. Najjednoduchším spôsobom ako toho

dosiahnuť je použitie regulačnej jednotky, ktorá umožňuje časovo vyťaženým alebo

vycestovaným chovateľom pomôcť zvládať starostlivosť o svoje živočíchy počas dlhšej

doby, čo by ich odbremenilo od mnohých starostí.

Cieľom práce je navrhnúť a realizovať systém pre reguláciu teploty, vlhkosti,

ventilácie a osvetlenia terária vrátane programovateľného dávkovača vody. Tieto

parametre systém automaticky riadi najmenej 2 týždne, čo umožní chovateľovi

spravovať si čas podľa vlastného uváženia.

Začiatok práce sa venuje rozboru regulačných modulov pre ohrev, zvlhčovanie,

osvetlenie, dávkovanie vody, vetranie, chladenie a znižovanie vlhkosti. Tento rozbor sa

venuje výhodám a nevýhodám jednotlivých prvkov vzhľadom na funkčnosť, flexibilitu,

cenu, možnosti priestorového využitia či technické parametre, čo vedie ku konkretizácií

návrhu regulačnej jednotky.

V ďalšej časti práce je popis navrhnutého hardvéru venujúci sa mikroprocesoru

ATmega16 od firmy Atmel, senzoru teploty a vlhkosti SHT21 od firmy Sensirion

a zároveň obvodu reálneho času, pretože oba tieto obvody komunikujú s procesorom

pomocou I2C zbernice, ktorej popis je taktiež obsiahnutý. Užívateľské prostredie je

riešené pomocou displeja s HD44780 radičom, rotačným enkóderom a tlačítkom, ktoré

umožňujú jednoduchú orientáciu v menu a nastavovanie jednotlivých parametrov

navrhnutej jednotky.

Nakoniec je v práci popísaný celkový návrh konštrukcie, hardvéru prototypu a

naprogramovaného firmware pre procesor.

2

1 TERÁRIOVÉ REGULAČNÉ PRVKY

1.1 Teráriové moduly ohrevu

K navrhnutej regulačnej jednotke je možné ako zdroj tepla pripojiť väčšinu vyrábaných

modulov ohrevu dostupných v teraristických potrebách. Môžu to byť napríklad

vykurovacie fólie, sálavé panely, výhrevne kamene, výhrevné káble alebo iné zariadenia

fungujúce v 230V sieti.

Vykurovacie fólie sú pomerne spratné a flexibilné ohrievacie prvky so širokou

voľbou umiestnenia, vďaka ktorému sa dá v teráriu simulovať viac podnebí.

Výkonnostne sa pohybujú od 4W až do 40W. Nevýhodou je pomerne vyššia cena.

Obr. 1.1 Príklad vyhotovenia vykurovacej fólie (prevzaté z [1]).

Sálavé panely sú vyrábané s použitím vykurovacej fólie, ktorá je vložená do

schránky. Tieto panely majú najlepšie uplatnenie hlavne vo veľmi vetraných či

chladných priestoroch, ktoré vyplýva z ich funkcie ako infražiaričov. Vzduch sa

neohrieva priamo ale odrazom žiarenia od predmetov či osôb. Z týchto dôvodov nemusí

byť použitie v teráriu vždy priaznivé a naviac ich konštrukcia neponúka flexibilné

použitie. Výkonnostne sa pohybujú od 100W až do 600W a sú teda vhodné do veľkých

terárií.

Výhrevné kamene sú veľmi užitočným prvkom pri chove plazov či iných,

chovateľsky náročnejších, živočíchov. Okrem iného plnia estetickú úlohu. Väčšinou sa

ich výkon pohybuje od 3W do 15W. Podstatnou nevýhodou je vysoká cena.

3

Obr. 1.2 Príklad vyhotovenia výhrevného kameňa (prevzaté z [2]).

Výhrevné káble sú jednoduchým vykurovacím prvkom zhotoveným z odporového

drôtu, ktorý je pokrytý silikónovou izoláciou. Sú flexibilné a ponúkajú tak široké

možnosti uloženia. Ich cena nie je príliš vysoká, závisí od dĺžky a výkonu. Podstatné pri

výbere kábla je, aby bol jeho povrch izolovaný, mal by mať správnu dĺžku a výkon,

ktorý sa pohybuje od 10W do 100W.

Tab. 1-1 Prehľad výkonov a priemernej cenovej relácie jednotlivých druhov vykurovacích

telies.

Druh vykurovacieho telesa Výkon (od do) [W] Priemerná cena (od do) [Kč]

Vykurovacia fólia 4 - 40 500 - 1300

Sálavý panel 100-600 1300 - 3200

Výhrevný kameň 3 - 15 500 - 2000

Vykurovací kábel 10 - 100 200 - 700*

*cena je závislá okrem výkonu aj od dĺžky kábla

1.2 Teráriové moduly zvlhčovania

Vlhkosť vzduchu v teráriu závisí od mnohých faktorov napríklad od vystieľky,

vetracích otvorov, ručného rosenia, umiestnenia napájadla, v závislosti od použitia

elektronických alebo elektromechanických zariadení alebo absorpčných materiálov. Pre

túto prácu sú jednoznačne vhodné len elektronické, prípadne elektromechanické

zariadenia.

Umiestnením tepelného zdroja k vode je jednoduchou možnosťou zvlhčovania

prostredia terária. Voda sa vplyvom pôsobenia tepla začne vyparovať vo väčšom

množstve a tým sa docieli vyššej vlhkosti. Nevýhodou je, že voda sa v okamžiku

vypnutia zdroja tepla vyparuje vo väčších množstvách až kým sa nedostane na teplotu

prostredia a aj napriek tomu ešte stále nie je zaručené, že vlhkosť nebude stúpať a teda

by bolo nutné dodatočné odvetrávanie. Naviac ohrev vody trvá dlhšiu dobu a teda nie je

možne okamžite zvlhčenie prostredia. Mimo iného sa môže nechcene zvyšovať teplota

v teráriu pre použitý tepelný zdroj.

Ultrazvukové zvlhčovače sú výhodnou možnosťou zvlhčovania prostredia, keďže

sú tiché, nevytvárajú nadbytočné teplo a k zvlhčovaniu dochádza vo veľmi krátkom

čase. Pri ich činnosti nedochádza k vytváraniu vodných pár, ale vplyvom kmitov

s frekvenciou nad 20kHz začnú molekuly vody strácať medzi sebou väzby a vytvárať

tak malé čiastočky vody, ktoré sa vznášajú vo vzduchu a tým je ich možné šíriť ďalej

prostredím.

4

Trh ponúka niekoľko vyhotovení a to už vo forme celého zariadenia alebo

lacnejšieho modulu, tzv. hmlovača. Výhodou už zhotoveného zariadenia je, že nie je

nutné riešiť nádrž, prípadne je už s pripojenou hadicou ako vývodom zvlhčeného

vzduchu. Nevýhodou sú rozmery čím sa obmedzuje použitie len pre určitý priestor či

prípadná nevzhľadnosť, čo sa týka okolia terária. Preto je oveľa elegantnejším riešením

použitie modulu, pre ktorý sa dá jednoducho vytvoriť prispôsobená, dostatočne veľká

nádržka a je lacnejší ako hotový prístroj. V prípade chovu živočíchov s veľmi veľkými

nárokmi na vlhkosť je možné umiestniť tento modul priamo v teráriu.

Obr. 1.3 Príklad vyhotovenia ultrazvukového zvlhčovača vzduchu (prevzaté z [4]).

Obr. 1.4 Príklad vyhotovenia ultrazvukového modulu zvlhčovača vzduchu (hmlovača).

Ďalšou z možností je použitie rozprašovača. Tieto zariadenia pracujú na

elektromechanickom princípe a zväčša sú už plne automatizované, preto sú aj veľmi

drahé. Ich vyhotovenie je pomerne rozmerné a riadiaca elektronika býva pomerne

citlivá na vlhkosť, takže sa musia umiestňovať mimo terárium.

5

1.3 Osvetlenie

Teraristické osvetľovacie zariadenia sa vyrábajú v mnohých prevedeniach pre simuláciu

rôznych podnebí. Fyzické vyhotovenie je prakticky rovnaké ako pri bežne používaných

žiarovkách, žiarivkách, diódových svietidlách alebo výbojkách. Sú napájané zo siete

priamo 230V, kde výkony pre žiarovky sa pohybujú v rozmedzí od 40W do 150W,

žiarivky od 13W do 26W, výbojky od 100W do 300W, diódové svietidlá od 4W do

10W. Rozdiel tvoria prevažne ich svetelné spektrá, takže je len na uvážení užívateľa,

aké osvetlenie si vyberie. Formou vyhotovenia môžu byť aj LED diódové pásy, ktoré

majú vlastný napájací adaptér s definovaným výstupným napätím od výrobcu, ktoré je

napevno pripojené k danému LED diódovému pásu. Je možné zakúpiť ich v rôznych

dĺžkových variantách. Ďalšou možnosťou sú žiarivkové trubice, ktoré vyžadujú vlastný

predradník napájaný z 230V siete. Cenovo sa tieto svietidlá pohybujú v širokej škále

v závislosti na výrobcovi, výkone, veľkosti či spektre.

Obr. 1.5 Príklad vyhotovenia výbojky určenej pre plazov a vtáctvo (prevzaté z [5]).

1.4 Dávkovanie vody

Dávkovanie vody sa v teráriach dá prevádzať za pomoci čerpadla a snímača alebo

fľašou otočenou hore dnom, kde na hrdle je uzáver, z ktorého môžu živočíchy, zväčša

hlodavce, získavať vodu. Pre automatizovaný dávkovač je však vhodným prostriedkom

len čerpadlo s najlepšie malým výkonom, ktoré je ponorené v dostatočne veľkej nádobe

s vodou a pomocou hadičky je voda privádzaná k napájadlu, kde je hladina

kontrolovaná vhodne zvolenou senzorikou.

Obr. 1.6 Príklad vyhotovenia vodného čerpadla.

6

1.5 Vetranie, chladenie a znižovanie vlhkosti

Na vetranie terária je možné použiť napríklad diery rôznej veľkosti v strope terária ako

pasívny neautomatizovaný systém vetrania, ktorý je založený na dlhodobejšom skúmaní

podmienok. Pre automatizáciu vetrania stačí doplniť aktívny prvok, ktorým sú

ventilátory a pre odstránenie vplyvu pasívneho vetrania môžu byť doplnené

záklopkami, ktoré sa odklopia vplyvom prúdenia vzduchu z ventilátorov. Ponúka sa

široká škála rôznych ventilátorov, či už to je z výkonnostného, napäťového alebo

proporčného hľadiska, od typu a počtu lopatiek a pre použitie v teráriu sa kladú medze

iba pre vysoké výkony, keďže terárium je malým priestorom, pre ktorý sú postačujúce

malé ventilátory napríklad používané vo výpočtovej technike a podobne. Vzhľadom na

to, že ventilátor je mechanický prvok, ktorý sa veľmi rýchlo otáča, musí obsahovať

ochranné zábrany, aby nedošlo k poraneniu človeka alebo živočícha.

Systém ventilátorov sa taktiež ukazuje ako vhodným prvkom pre chladenie

vnútorných priestorov terária vháňaním chladnejšieho okolitého vzduchu. Vnútorná

teplota pritom nemusí dosahovať veľmi nízkych teplôt takže ventilátory sú

dostačujúcim zariadením.

Pre znižovanie vlhkosti je možné použiť pasívne prvky ako je napríklad silica gél,

ale vzhľadom na nemožnosť automatizácie, pre prípadnú toxicitu pre niektoré živočíchy

a kratšiu životnosť oproti aktívnym prvkom je nevhodná. Preto je opäť výhodné

použitie ventilátorov, ktoré odvetraním zbavia terárium príliš vlhkého vzduchu

a nahradia ho suchším.

Obr. 1.7 Náčrt vetracieho systému s dvoma ventilátormi.

7

Obr. 1.8 Ukážka činnosti zvislo uloženého ventilátora so záklopkou.

1.6 Výber regulačných prvkov

Pri výbere jednotlivých prvkov boli zvážené ich výhody a nevýhody z pohľadu ceny,

výkonu, rozmerov, dostupnosť a nákladov na chod. Tiež sa prihliadalo na univerzálnosť

regulačnej jednotky pre jednotlivé prvky a tak umožnenie užívateľského výberu.

Pre potreby testovania bol ako vyhrievací prvok vybraný výhrevný kábel, pretože

je lacný, dostupný, flexibilný, vyrába sa v dostatočnom počte výkonových variácii

a ponúka dostatočnú škálu umiestnenia. Ako zvlhčovač bol vybraný ultrazvukový

zvlhčovací modul pre jeho cenu, možnosti využitia, nenáročnosti na priestory a veľmi

rýchlu schopnosť zvlhčovania. Na osvetlenie postačí ako demonštračný prvok bežná

úsporná žiarivka, keďže má podobné parametre ako špeciálne teraristické žiarivky.

V rámci merania bol použitý jeden ventilátor, s ukážkou na obr. 1.8, nakoľko sa

ukázalo, že má postačujúci vplyv na reguláciu všetkých veličín, pri ktorých bolo

potrebné ho použiť. Zvislé uloženie ventilátora je naviac výhodnejšie v prípade že

chceme do terária vháňať vzduch a to oproti návrhu pravého ventilátora na obr. 1.7.

8

2 HARDVÉR

2.1 Mikroprocesor

Pre vyhodnocovanie jednotlivých veličín a pre celkový chod systému bol vybraný

mikroprocesor ATmega v SMD puzdre s typovým označením ATmega16-16AU

z dôvodu požiadaviek na čo najmenšie rozmery plošného spoja, obsahu potrebných

periférií pre riešenie problematiky a dostatočného množstva programovateľných

vstupov/výstupov.

Obr. 2.1 Rozloženie pinov pre puzdro TQFP44A (prevzaté z [7]).

Využité vlastnosti mikroprocesoru ATmega16-16AU k riešeniu problematiky:

- 32 registrov dĺžky 8 bitov

- štyri 8-bitové vstupno/výstupné porty

- hodinová frekvencia 0 až 16 MHz

- programová pamäť FLASH s kapacitou 16kB

- 512 bytová EEPROM pamäť

- 8-bitový čítač/časovač0

- jednotky SPI, TWI(I2C)

- jednotky WDT, Reset

9

2.2 Senzor SHT21

SHT21 od firmy Sensorion je senzor teploty a vlhkosti, ktorý komunikuje pomocou I2C

zbernice. Okrem vodičov SCL a SDA vyžaduje pripojenie napájania s maximálnou

hodnotou napätia 5V. Senzor je plne kalibrovaný už od výrobcu, takže odpadá nutnosť

kalibrácie. Bol vybraný pre jeho hardvérovú nenáročnosť, možnosť komunikácie s 5V

logikou, dostupnosť, jednoduchosť aplikácie a všestrannosť.

Obr. 2.2 Maximálna tolerancie relatívnej vlhkosti pri 25°C pre rôzne prevedenia rady SHT21

(prevzaté z [8]).

Obr. 2.3 Maximálne tolerancie teploty pre rôzne prevedenia rady SHT21 (prevzaté z [8]).

10

Obr. 2.4 Fotografia senzoru SHT21 (prevzaté z [8]).

Senzor dokáže komunikovať v dvoch módoch a to Hold Master Mode alebo No

Hold Master Mode. Hlavný rozdiel medzi týmito módmi je, že pri Hold Master Mode

senzor drží počas merania I2C zbernicu obsadenú, zatiaľ čo pri No Hold Master Mode

senzor I2C zbernicu uvoľní počas merania, aby mohla prebiehať komunikácia s iným

zariadením. Pri realizácií regulačnej jednotky bol použitý Hold Master Mode, pretože

nebolo nutné urýchľovať komunikáciu na zbernici.

Postupnosť komunikácie cez Hold Master Mode je naznačená na obr. 2.5. Tmavo

vyznačené bloky sú kontrolované senzorom. Komunikácia začína ŠTART bitom,

nasleduje adresa zariadenia s určením zápisu, potvrdzovací bit, príkaz určujúci veličinu,

ktorá má byť zmeraná, prípadne príkaz pre Soft reset, alebo použitie užívateľského

registra, vyšle sa opäť ŠTART bit, s adresou zariadenia pre čítanie, potvrdzujúci bit,

meranie danej veličiny, pričom komunikácia na I2C zbernici je po túto dobu zastavená,

vyšlú sa najvýznamnejšie bity, potvrdzovací bit, 6 najmenej významných bitov a 2

status bity kde bit 43 určuje aká veličina sa merala a bit 44 nemá žiadny význam.

Nasleduje potvrdzovací bit, kontrolný súčet, potvrdzovací bit pre ukončenie prijímania

dát a nakoniec STOP bit.

Obr. 2.5 Priebeh komunikácie senzoru SHT21 s Masterom (prevzaté z [8]).

Namerané hodnoty musia byť prepočítané podľa vzorcov určených výrobcom. Pre

11

teplotu platí vzorec (2.1) a pre relatívnu vlhkosť vzorec (2.2)

16272,17585,46 TS

T , (2.1)

1621256 RHS

RH , (2.2)

kde T je teplota v °C, ST sú prijaté dáta pre teplotu, RH je relatívna vlhkosť v % a SRH

sú prijaté dáta pre relatívnu vlhkosť.

2.3 Obvod reálneho času

Pre udržanie presného času bol zvolený obvod reálneho času PCF8563. Obvod

komunikuje s procesorom prostredníctvom I2C zbernice. Vďaka detektoru nízkej úrovni

napätia je k nemu možné pripojiť batériu, takže v prípade výpadku sieťového napätia

môže obvod ďalej fungovať. Šírka operačného napájacieho napätia je 1 až 5,5V, pri

využívaní I2C je to 1,8 až 5,5V.

Obvod obsahuje 16 registrov, z ktorých každý má 8 bitov. Prvé dva registre sú

použité ako stavové a nastavovacie, ďalších 7 registrov slúži ako čítače, štyri

nasledujúce sú určené pre alarm, ďalšia adresa kontroluje výstupnú frekvenciu

a posledné dva sú určené samostatne: jeden pre riadenie času a druhý ako časový

register. K presnému chodu je k čipu pripojený 32,785kHz kryštál.

Obr. 2.6 Pinová konfigurácia obvodu PCF8563 pre rôzne puzdra (prevzaté z [9]).

Popis pinov:

- OSCI – vstup oscilátora

- OSCO – výstup oscilátora

- INT – výstup prerušenia

- VSS – zem

- SDA – sériový dátový vstup a výstup

- SCL – hodinový výstup

- CLKOUT – hodinový výstup

- VDD – kladný pól napájania

12

2.3.1 I2C (TWI) zbernica

Vybraný senzor využíva I2C (Inter-Integrated Circuit) zbernicu. Bola vytvorená firmou

Philips Semiconductor ale firma Atmel nazýva túto zbernicu ako TWI (Two-Wire Serial

Interface), pričom sa stále jedná sa o tú istú komunikáciu.

Komunikačný protokol I2C umožňuje prepojenie 128 zariadení pomocou dvoch

dátových vodičov SDA – dátový kanál a SCL – hodinový signál, ktoré sú pripojené

prostredníctvom pull-up rezistorov, čím sa zabezpečí komunikácia v oboch smeroch

a v prípade, že by vysielali viaceré zariadenia naraz, dôjde iba k poškodeniu signálu

pričom zariadenia ostanú v poriadku. Každé z týchto zariadení má 7-bitovú adresu

a môže pracovať v dvojakom režime a to ako Master a Slave. Master zahajuje

a ukončuje komunikáciu, generuje hodinový signál SCL a vysiela všetky požiadavky.

Slave je podriadené zariadenie, je riadené hodinovým signálom a je vždy adresované

Masterom.

Obr. 2.7 Pripojenie zariadení na zbernicu I2C.

2.4 Displej

Pre vyobrazenie potrebných a nastavovaných dát bol vybraný 16 znakový dvojriadkový

displej CFAH1602Z-TMI-ET s radičom HD44780, ktorý umožňuje jednoduché

vypisovanie jednotlivých znakov.

Obr. 2.8 Displej CFAH1602Z-TMI-ET.

13

Tab. 2-1 Popis pinov displeja [11].

Číslo pinu Symbol Popis

1 VSS zem

2 VDD napájacie napätie

3 VO kontrast

4 RS nastavenie registra

5 R/W čítanie/vypisovanie

6 E hodinový vstup

7÷14 DB0÷DB7 dátové bity 0÷7

15 A anóda podsvietenia

16 K katóda podsvietenia

Radič HD44780 dokáže komunikovať dvoma spôsobmi:

- 8-bitová komunikácia – využíva všetky dátové bity DB0÷DB7. Týmto

spôsobom odosielame celý bajt naraz.

- 4-bitová komunikácia – využíva štyri dátové bity DB4÷DB7, čím sa ušetria

výstupy z mikroprocesoru. Zvyšné štyri dátové bity sú pripojené na zem. Bity sa

teda posielajú na dva krát – najskôr štyri horné bity a potom štyri spodné bity.

Tento spôsob komunikácie bol použitý pri realizácií.

2.5 Snímanie výšky hladiny vody v napájadle

Snímanie hladiny vody je možné riešiť niekoľkými spôsobmi. Ultrazvukový snímač je

výborný na snímanie výšky hladiny ale mohlo by dochádzať k chybným vyhodnoteniam

pri vstupe živočícha do vody čo môže byť značnou nevýhodou. Snímanie pomocou

kontaktov, ktoré by pri kontakte s vodou zopli obvod a tak určili výšku hladiny je

nevýhodne z dôvodu citlivosti niektorých živočíchov aj na nízke napätie.

Riešenie pre zistenie výšky hladiny sa teda ponúka návrhu pomocou optických

závor, ktoré sú umiestnené do trubice, v ktorej sa pohybuje plavák s tienidlom, vďaka

ktorému je možné prerušiť svetelný signál medzi závorami a tak detekovať výšku

hladiny vody.

14

Obr. 2.9 Zapojenie optických závor pre hladinový senzor.

Na obr. 2.9 je nakreslené zapojenie optických závor pre hladinový senzor. Toto

zapojenie umožňuje priame pripojenie na mikroprocesor. Ak nestojí žiadna prekážka

medzi LED diódou a fototranzistorom, fototranzistor je otvorený, prúd tečie cez neho na

zem a na výstupe OUT1 pre vrchnú optickú závoru na obrázku, alebo OUT2 pre spodnú

závoru na obrázku je logická nula. Ak prekážka preruší lúč v optickej závore,

fototranzistor sa zatvorí a na výstupe OUT1 alebo OUT2 je logická jednotka.

15

Obr. 2.10 Náčrt hladinového senzoru s optickými závorami s detekciou nízkej hladiny vody (a)

a detekciou vysokej hladiny vody (b).

Výhodným riešením je tiež použitie cievky z izolovaného drôtu, ktorá je navinutá

tak, aby jej stredom mohlo prechádzať vhodne zvolené jadro na plaváku. Cievka by

bola pripojená k mikroprocesoru, ktorý by ňou vysielal signál o určitej frekvencií a na

základe zmeny indukčnosti vplyvom prechádzajúceho jadra by mikroprocesor snímal

zmenu frekvencie výstupného signálu, a tak by vyhodnotil plynule výšku hladiny vody.

Napriek tomu, že sa toto riešenie zdá elegantnejšie a výhodnejšie, nebolo použité

vzhľadom na už vyrobenú regulačnú jednotku s návrhom snímania hladiny vody

s optickými závorami.

Obr. 2.11 Náčrt hladinového senzoru fungujúceho na princípe zmeny frekvencie zmenou

indukčnosti.

16

2.6 Ovládanie

Ovládanie je realizované pomocou rotačného enkóderu a tlačítka. Rotačný enkóder

umožňuje rýchly pohyb v menu, jednoduché nastavovanie času a komparačných

hodnôt. Smer otáčania enkódera je určený fázovým posunom dvoch signálov z výstupu

enkódera. Tlačítkom je realizované potvrdenie a vstup do jednotlivých častí menu

a návrat z týchto častí späť do menu potvrdením nastavenej hodnoty. Pre reštart systému

je vyvedené samostatné tlačítko.

Obr. 2.12 Výstupný signál z rotačného enkóderu pre jeden smer.

2.7 Spínanie modulov regulácie

Spínanie jednotlivých prvkov je realizované pomocou vstupov a výstupov procesoru, na

ktoré sú pripojené gate-y unipolárnych MOSFET tranzistorov s vodivým kanálom P.

Tie spínajú jednosmernými 12V buď relé alebo priamo použité regulačné prvky

v závislosti od veľkosti a typu priebehu napätia. Osvetlenie, ohrev a čerpadlo napájadla

využívajú pre svoj chod sieťové napätie, preto je najrozumnejším riešením spínanie

pomocou relé, ktoré naviac galvanicky oddeľuje sieťové napätie od zvyšku obvodu.

Relé je tiež použité pre spínanie 24V striedavých, ktoré sú tak dodávané

ultrazvukovému zvlhčovaciemu modulu. Priame spínanie MOSFET-mi je riešené pri

ventilácií, kde návrh obsahuje pripojenie dvoch ventilátorov na jednosmerných 12V.

2.8 Bluetooth komunikácia

Pre spohodlnenie práce s regulačnou jednotkou bola nad rámec zadania pridaná

komunikácia cez bluetooth modul HC-05. Prácu je tak možné rozvinúť do formy, kde

bude možné napr. vykreslenie grafov z nameraných hodnôt, sledovanie aktuálnych

hodnôt, prípadne nastavovanie potrebných parametrov cez osobný počítač alebo

mobilný telefón a to aj na väčšie vzdialenosti cez server pomocou internetu.

Komunikácia bola vytvorená s možnosťou odosielania aktuálnych hodnôt každých 5

minút, kde na prijímacej strane je použité zariadenie s terminálom. Pre ďalšie rozvinutie

v tejto oblasti by bolo nutné pridať externú Flash pamäť prípadne vymeniť

mikroprocesor ATmega16 za ATmega32, ktorý má dvojnásobnú pamäť a rovnakú

pinovú konfiguráciu.

17

2.9 Zdroj napätia

Pre napájanie jednotlivých blokov sa transformuje sieťové napätie transformátorom

s napätím na sekundárnom vinutím 24V pri 1,25A, z ktorého je vyvedené napätie na

ultrazvukový zvlhčovač a step-down menič LM2595 s výstupným napätím 12V. To je

privedené na spínače s relé a MOSFET-mi a na stabilizátor LM7805, z ktorého sú 5V

napájané display, procesor a zvyšná logika.

Obr. 2.13 Zapojenie navrhnutého zdroja.

18

3 KONŠTRUKCIA A NÁVRH PLOŠNÝCH

SPOJOV

3.1 Bloková schéma

Obr. 3.1Bloková schéma navrhnutej regulačnej jednotky.

3.2 Konštrukcia

Nakoľko plošný spoj a transformátor zaberajú veľký priestor, bol prototyp pripevnený

na dosku z tvrdeného polystyrénu a ďalšou bola doska plošného spoja zakrytá, aby sa

pri manipulácií zamedzilo styku s napätím. Po zmenšení návrhu dosky plošných spojov

by bolo možné vybrať vhodnú, nie príliš rozmernú krabičku, ktorá by obsahovala

konektory a sieťové zásuvky vhodné pre zabudovanie do panelov.

Obr. 3.2 Čelná strana regulačnej jednotky.

19

Obr. 3.3 Zadná strana regulačnej jednotky.

Na obr. 3.2 je vidno umiestnenie displeja, od ktorého sú na pravo umiestnené

ovládacie prvky. Prvý od displeja je umiestnený rotačný enkóder, vedľa neho je

nastavovacie tlačítko a úplne v pravo je tlačítko reset. Tieto prvky majú toto umiestnené

zámerne, pretože sa predpokladá, že užívateľ by mohol byť častejšie pravák, takže by si

pri nastavovaní ľavou rukou netienil výhľad na displej. Nad ovládacími prvkami sa

nachádza bluetooth modul, ktorý je pevne pripevnený o dosku z tvrdeného polystyrénu.

Umiestnenie bluetooth modulu bolo výhodnejšie na vonkajšej strane, nakoľko obsahuje

LED diódovú kontrolku, signalizujúcu zapnutie, pripojenie a odosielanie. V ľavo dole je

vidno pripojený senzor SHT21.

Na zadnej strane sú umiestnené skrutkovacie svorkovnice pre pripojenie svetla,

výhrevného kábla čerpadla a ultrazvukového modulu. Na pravo od napájacieho jack-u

sú vyvedené káble pripojené k hladinovému senzoru a k ventilátoru.

Pri návrhu obvodu a plošných spojov bol použitý program Eagle. Celý návrh je

v prílohe A, ktorá obsahuje výkresy obvodového zapojenia, návrh plošných spojov

a osadzovací plán. Pri odladzovaní boli priamo k rotačného enkóderu priletované dva

elektrolytické kondenzátory s označením C17 a C18 o hodnote1µF/63V.

Úprava sa dotkla tiež ultrazvukového zvlhčovacieho modulu, nakoľko dodaný

transformátor bol predimenzovaný, čo sa ukázalo až neskôr pri testovaní jednotky.

Výstupné napätie transformátora so zapojenou regulačnou jednotkou s vypnutými

regulačnými prvkami je približne 30V striedavých a potrebné napätie je 24V

striedavých. Riešením bolo zapojenie cievky o indukčnosti 30mH do série s

ultrazvukovým zvlhčovacím modulom.

20

4 FIRMWARE

Mikroprocesor ATmega16 bol naprogramovaný pomocou ISP programátora BiProg

s firmware podporujúcim AVR Studio 4. Program bol vytvorený v jazyku C.

4.1 Popis programu a funkcií

Po zapojení regulačnej jednotky do siete sa v hlavnom programe nastavia porty

mikroprocesora do požadovaných stavov, nastavia sa bity pre externé prerušenia

a prerušenia časovača, bity deličky časovača a watchdogu, inicializuje sa LCD displej,

I2C zbernica a rozhranie UART. Následne sa prečítajú informácie z EEPROM pamäte

a zapíšu sa do konkrétnych premenných. Nakoniec sa vyvolá menu a regulačná jednotka

je pripravená okamžite vyhodnocovať a regulovať stav prostredia. V hlavnom programe

je tiež nekonečný cyklus, v ktorom sa kontroluje výška hladiny vody.

Pootočením rotačného enkóderu sa vyvolá externé prerušenie, v ktorom sa

kontroluje smer otáčania. To je detekované za pomoci čítania hodnoty pomocou

ďalšieho portu. Po vyhodnotení sa menia hodnoty premenných slúžiacich na pohyb

v menu a zmenu nastavovaných hodnôt. Stlačením nastavovacieho tlačítka sa taktiež

vyvolá externé prerušenie, skontroluje sa čítanim portu, na ktorom je vykonané dané

prerušenie stav, aby sa predišlo chybám z prekmitov. V prípade, že sa 25 sekúnd

nepoužije rotačný enkóder alebo tlačítka, podsvietenie displeja sa vypne a je možné ho

znova aktivovať rotačným enkóderom alebo tlačítkom, ktoré nulujú v prerušení hodnotu

premennej určujúcej dĺžku zopnutia podsvietenia.

V prerušení časovača sa kontrolujú hodnoty pre reguláciu teploty, vlhkosti,

ventilácie a osvetlenia terária z okamžitých nameraných hodnôt zo senzoru SHT21

a času získavaného z obvodu reálneho času PCF8563. Na základe týchto informácií sa

spínajú potrebné regulačné prvky. Obsahom prerušenia je aj výpis a obnovovanie

úvodnej obrazovky.

Vo funkcií „void menu()“ sa vyhodnocuje pohyb otočenia rotačného enkóderu

a stlačenie nastavovacieho tlačítka. Na základe týchto údajov je možné nastaviť

potrebné parametre. Bližší popis ponúka podkapitola „Menu a ovládanie“.

Súčasťou menu je funkcia „void time_set()“, v ktorej sa vykonáva nastavenie času

a dátumu s následným odoslaním dát do obvodu reálneho času. Keďže dni v týždni sú

reprezentované číslom, na prepis do textu je použitá funkcia „void day_text()“. Pre

komunikáciu po I2C zbernici s PCF8563 slúžia funkcie „void read(char part)“ a „void

write(unsigned int DEC, char part)“, kde part označuje adresu registru obvodu reálneho

času a DEC je decimálna hodnota, ktorá sa má zapísať. Tá sa prevedie do BCD kódu,

s ktorým RTC pracuje.

Pre meranie teploty a vlhkosti slúži funkcia „void sht_meas(char param)“, kde

param určuje adresu veličiny, ktorá má byť zmeraná. Vo funkcií prebieha komunikácia

po I2C zbernici a prepočet získaných dát podľa vzorcov (2.1) a (2.2).

21

Zápis a čítanie EEPROM pamäte sú prevádzané pomocou funkcií uvedených v [7].

Celý program vrátane knižníc stiahnutých zo zdrojov [16], [17] a [18] sa nachádza

na priloženom CD.

4.2 Menu a ovládanie

Softvérové vybavenie mikroprocesora sa odvíja od naprogramovaného menu. Na

základe neho sú vytvorené ovládania väčšiny použitých modulov. Jednotlivé časti menu

s možnosťou nastavenia sú:

- „TEPLOTA“

- „VLHKOST“

- „VETRANIE“

- „CERPADLO“

- „SVETLO“

- „CAS“

- „BLUETOOTH“

Po zbehnutí hlavného programu a vyvolaní menu sa na displeji zobrazí úvodná

obrazovka s aktuálnou teplotou meraného prostredia, vyznačeným smerom otáčania

rotačného enkóderu pre pohyb k ďalším častiam menu, aktuálna vlhkosť prostredia

a reálny čas. Vstup do jednotlivých častí menu a potvrdzovanie zadaných hodnôt sú

realizované pomocou nastavovacieho tlačítka.

Obr. 4.1 Úvodná obrazovka.

Po otočení rotačného enkóderu v smere hodinových ručičiek nasleduje možnosť

nastavenia teploty, kde si užívateľ vyberie referenčnú hodnotu, od ktorej sa

vyhodnocuje interval teplôt a to ±1°C od referenčnej hodnoty. Obdobne sa nastavuje

nasledujúca možnosť nastavenia referenčnej vlhkosti s intervalom ±2%.

Obr. 4.2 Ukážka menu pre nastavenie teploty.

22

Ďalšou možnosťou je nastavenie času vetrania, kde si užívateľ zvolí hodinu, kedy

má byť vetranie spustené a dĺžku vetrania v minútach s minimálnym trvaním 0 minút

a maximálnym trvaním 59 minút.

V časti „CERPADLO“ je možné vypnúť čerpadlo napájadla, pre prípad čistenia

alebo inej manipulácie s nádobou pre vodu, kde by pri pohybe s hladinovým senzorom

mohla nastať chybná detekcia hladiny vody a tým by sa nechcene spustilo čerpanie

vody.

Nastavenia svetla sa prevádza v možnosti „SVETLO“, kde sa nastaví hodina,

o ktorej bude svetlo zapnuté a následne hodina, kedy sa svetlo má vypnúť. V programe

je vykonané ošetrenie, ktoré pri zhodných časoch zopnutia a vypnutia svetla zanechá

svetlo po celú dobu zapnuté.

Čas je možné nastaviť v ďalšej možnosti zároveň s dátumom. Nastavenie je

intuitívne a výpis textu na displeji sám napovedá aká veličina je práve nastavovaná.

Táto časť menu je zo všetkých najhlbšia a obsahuje nastavenia hodiny, minút, názov

dňa v týždni, mesiac, poradie dňa v mesiaci a rok.

Poslednou možnosťou v menu je zapínanie a vypínanie bluetooth komunikácie.

Funguje obdobne ako zapínanie a vypínanie čerpadla. Odosielaná správa je vo forme:

16:10 t:22,3C h:46%

kde „16:10“ značí hodinu odoslania, „t:22,3C“ udáva teplotu v °C a „h:46%“ udáva

relatívnu vlhkosť v % v daný čas.

Po potvrdení poslednej hodnoty v konkrétnom menu pre teplotu, vlhkosť, časy

vetrania a svietenia s návratom do hlavného menu, sa tieto hodnoty ukladajú do

EEPROM pamäte, takže aj po náhodnom vypnutí regulačnej jednotky sa hodnoty

nestratia a po opätovnom spustení sa z pamäte načítajú. Výnimku tvorí nastavenie času

a dátumu, kde sa tieto časy odošlú a zapíšu do obvodu reálneho času.

23

5 OVERENIE FUNKČNOSTI

A SPOĽAHLIVOSTI

Obr. 5.1 Ukážka funkčnosti regulačnej jednotky.

Ukážka testovania funkčnosti regulačnej jednotky je na obr. 5.1. V nádobe na ľavej

strane sa nachádza ultrazvukový modul, ktorý je práve v činnosti, čo sa prejavuje

zahmlením nad povrchom vody. V rovnakej nádobe je umiestnené čerpadlo čerpajúce

vodu do druhej nádoby s hladinovým senzorom. Na zadnej stene je pripevnený

výhrevný kábel.

Test funkčnosti odhalil chyby v programe, ktoré boli následne odstránené, takže

regulačná jednotka je zo softvérového ale aj hardvérového hľadiska plne funkčná.

Bolo tiež prevedené meranie o dĺžke 45 minút zamerané na reguláciu teploty

a vlhkosti v uzavretom priestore o objeme približne 47 litrov. Do tohto priestoru boli

umiestnené výhrevný kábel, zvlhčovací modul s nádobou na vodu, ventilátor vháňajúci

vzduch do vnútorného priestoru, žiarivka a senzor SHT21. Nastavené referenčné

hodnoty boli pre teplotu 25°C a pre relatívnu vlhkosť 54% Test prebehol úspešne

nakoľko hodnoty sa udržali v definovaných intervaloch a to pre teplotu medzi 24°C -

26°C a pre relatívnu vlhkosť medzi 52% - 56%. Výsledky merania sú umiestnené

v prílohe C.

24

6 VYUŽITIE V INÝCH APLIKÁCIÁCH

Zostavenú regulačnú jednotku je možné upraviť do mnohých iných podôb, čo zvyšuje

jej možnosť aplikácie, pričom nie je vždy nutná rapidná zmena zapojenia, či samotného

software.

Možné využitie by bolo napríklad v automatizovanej liahni, pričom by mohol byť

pridaný modul pre snímanie obrazu a zároveň aj pre jeho odosielanie napríklad na

server, kde by sa kontroloval vizuálny stav liahne.

Ak by bol zdokonalený software pre komunikáciu s bluetooth, prípadne by sa

aplikoval iný systém komunikácie ako je napríklad Wifi, bolo by možné regulovať celé

miestnosti prípadne celý dom alebo byt, pričom by jednotlivé regulačné prvky mohli

byť spínane bezdrátovo na diaľku. Tým by bola užívateľovi umožnená kontrola

a nastavovanie parametrov aj v jeho neprítomnosti. Využitie by našlo aj snímanie

hladiny napríklad v sledovaní hladiny vody vo vani. Systém by mohol byť

naprogramovaný na určitú hodinu, kedy sa má vaňa pripraviť.

25

ZÁVER

Cieľom práce bolo navrhnúť regulačnú jednotku pre terárium pre reguláciu teploty,

vlhkosti, ventilácie a osvetlenia terária vrátane programovateľného dávkovača vody.

V práci je postupne rozobraná väčšina jednotlivých modulov pre jednotlivé

regulované veličiny, s ohľadom na funkčnosť, flexibilitu, cenu, možnosti priestorového

využitia či technické parametre. Návrh bol smerovaný k tomu, aby bolo možné pripojiť

väčšinu používaných modulov, a tým bol umožnený užívateľský výber. Obmedzenia sa

kladú len pre výber ventilácie a zvlhčovača, čo bolo ovplyvnené cenou zariadení

a dostačujúcimi výkonmi pre terárium.

Ďalej bol navrhnutý a vyrobený hardvér, ktorý obsahuje mikroprocesor ATmega16.

Ten riadi procesy pre spínanie jednotlivých modulov, vypisovanie na displej

CFAH1602Z-TMI-ET s radičom HD44780, prijímanie pokynov od obsluhy za pomoci

tlačítok a rotačného enkódera, vyhodnocovanie informácií od senzoru SHT21

a vytvoreného snímača výšky hladiny vody. Pre udržanie presného času bol použitý

RTC obvod PCF8563 zo záložným napájaním tvoreným batériou. Nad rámec zadania

bola pridaná komunikácia cez bluetooth.

Nosná konštrukcia pre regulačnú jednotku bola vytvorená ako testovací prototyp,

preto nebola umiestnená do krabičky. V tomto smere bolo zjednodušené pripojenie

regulačných prvkov priamo na konektory z dosky plošných spojov. Pri riešení

konštrukcie bol braný ohľad na používateľa a tak bolo užívateľské rozhranie navrhnuté

s predpokladom, že užívateľ bude pravák.

V práci je popísaný tiež vytvorený firmware pre riadiaci procesor.

Nakoniec bolo zariadenie otestované s ohľadom na funkčnosť a spoľahlivosť,

pričom výsledky ukázali, že zariadenie pracuje správne a je teda vhodné pre reguláciu

terárií.

V poslednej kapitole je pridané pojednávanie o zdokonalení systému a teda aj

využitie v iných aplikáciách s príkladmi potrebných zmien systému.

26

LITERATÚRA

[1] Elektrické kúrenie [online]. 2012 [cit. 2012-12-06]. Dostupné z: http://eshop.elektricke-

kurenie.sk/fotky977/Folie_F.JPG.

[2] Terarium.sk [online]. 2012 [cit. 2012-12-06]. Dostupné z:

http://www.terarium.sk/ohrievac-do-teraria-skala-15w29x17x5cm-pi-8960.html.

[3] Ultrazvuk. Wikipédia: Slobodná encyklopédia [online]. 2007, 7.11.2012 [cit. 2012-12-06].

Dostupné z: http://sk.wikipedia.org/wiki/Ultrazvuk.

[4] LANAFORM [online]. c 2012 [cit. 2012-12-06]. Dostupné z:

http://www.lanaform.com/en/catalogue/detail/family-care-108-4.

[5] Terarium.sk [online]. 2012 [cit. 2012-12-06]. Dostupné z:

http://www.terarium.sk/reptistar-uvb-lampa-pre-teraria-160w-p-

8990.html?cPath=495_496_497.

[6] MATOUŠEK, David. Práce s mikrokontroléry ATMEL AVR: [měření, řízení a regulace

pomocí několika jednoduchých přípravků]. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura,

2006. ISBN 80-730-0174-8.

[7] ATMEL. Datasheet ATmega16. 2002, 237 s. Dostupné z:

http://www.atmel.com/images/doc2466.pdf.

[8] SENSIRION. Datasheet SHT1x. 2008, 12 s. Dostupné z:

http://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidit

y/Sensirion_Humidity_SHT1x_Datasheet_V5.pdf.

[9] NXP. Datasheet PCF8563. 1998, 50 s. Dostupné z:

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PCF8563.pdf.

[10] FRÝZA, Tomáš. Mikroprocesorová technika a embedded systémy: počítačová cvičení. 1.

vyd. Brno: MJ servis s.r.o., 2011, 86 s. ISBN 978-80-214-4350-1.

[11] CRYSTALFONTZ AMERICA. Datasheet CFAH1602Z. 2008, 71 s. Dostupné z:

http://www.crystalfontz.com/product/CFAH1602ZTMIET.

[12] Znakový LCD displej s radičom HD44780. LUBOSS17 [online]. c 2011 - 2012 [cit. 2012-

12-07]. Dostupné z: http://lubosweb.php5.sk/clanky/05_znakovy_displej.php.

[13] TEXAS INSTRUMENTS. Datasheet LM2595. 2004, 43 s. Dostupné z:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2595.pdf.

[14] Porovnání RTC a SW hodin. VYROUBAL, Rostislav a Rostislav NUNVÁŘ. Vysoké učení

technické: Ústav radioelektroniky [online]. 19.4.2010 [cit. 2013-05-26]. Dostupné z:

http://www.urel.feec.vutbr.cz/MIA/2010/Nunvar/index.html

[15] Programujeme AVR v jazyku C - 6. časť: LCD displej. ZAWIN. Svetelektro [online].

07.03.2012 [cit. 2013-05-26]. Dostupné z: http://svetelektro.com/clanky/programujeme-

avr-v-jazyku-c-6-cast-459.html

[16] Programujeme AVR v jazyku C - 8. časť: Univerzálna asynchrónna/synchrónna sériová

linka (USART). ZAWIN. Svetelektro [online]. 15.07.2012 [cit. 2013-05-26]. Dostupné z:

http://svetelektro.com/clanky/programujeme-avr-v-jazyku-c-8-cast-511.html

[17] Programujeme AVR v jazyku C - 10. časť: Rozhranie TWI (I2C), popis komunikácie,

registrov a ukážkový program. ZAWIN. Svetelektro [online]. 18.10.2012 [cit. 2013-05-26].

27

Dostupné z: http://svetelektro.com/clanky/programujeme-avr-v-jazyku-c-10-cast-539.html

[18] FRÝZA, Tomáš, Peter FLEURY a Thomas BREINING. Knihovna LCD. 2006. Dostupné

z: www.urel.feec.vutbr.cz/~fryza/downloads/lcd.zip

[19] Tvarovač signálu. MerkurRobot [online]. 13.11. 2012 [cit. 2013-05-27]. Dostupné z:

http://merkurrobot.cz/?cat=24

28

ZOZNAM ZKRATIEK

RTC Real Time Clock

I2C Integer-Integrated Circuit

TWI Two-Wire Serial Interface

SDA Serial Data Line

SCL Serial Clock

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

SMD Surface Mount Device

LED Light-Emitting Diode

LCD Liquid-Crystal Display

ISP In-System Programming

WDT Watchdog Timer

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

BCD Binary Coded Decimal

ESR Equivalent Series Resistance

29

ZOZNAM PRÍLOH

A Návrh zariadenia 30

A.1 Obvodové zapojenie – list 1/2 ................................................................ 30

A.2 Obvodové zapojenie – list 2/2 ................................................................ 31

A.3 Doska plošného spoja – top .................................................................... 32

A.4 Doska plošného spoja – bottom .............................................................. 32

A.5 Osadzovací plán – top ............................................................................. 33

A.6 Osadzovací plán – bottom ....................................................................... 33

B Zoznam súčiástok 34

C Meranie regulácie teploty a vlhkosti 36

30

A NÁVRH ZARIADENIA

A.1 Obvodové zapojenie – list 1/2

31

A.2 Obvodové zapojenie – list 2/2

32

A.3 Doska plošného spoja – top

Rozmer dosky 162 x 84 [mm], mierka M1:1,08

A.4 Doska plošného spoja – bottom

Rozmer dosky 162 x 84 [mm], mierka M1:1,08

33

A.5 Osadzovací plán – top

A.6 Osadzovací plán – bottom

34

B ZOZNAM SÚČIÁSTOK

Počet Označenie Hodnota Puzdro Popis List

1 24 MKDSN1,5/2-

5,08 Konektor 1

4 NAP, OH, UM, SV MKDSN1,5/2-

5,08 Konektor 2

1 B1 KBL506 KBL Usmerňovací

mostík 1

2 C1, C3 22p C1206 Keramický

kondenzátor 1

4 C2, C9, C10, C11 10n C1206K Keramický

kondenzátor 1

5 C4, C5, C6, C7, C15 100n C1206 Keramický

kondenzátor 1

1 C8 12p C1206 Keramický

kondenzátor 1

1 C12 220uF/50V E3,5-10 Elektrolytický

kondenzátor 1

1 C13 220uF/35V PANASONIC_F Elektrolytický

kondenzátor 1

1 C14 330n C1206 Keramický

kondenzátor 1

1 C16 100uF/10V D/7343-31R Tantalový

kondenzátor 1

2 C17, C18 1uF/63V E1,8-4 Elektrolytický

kondenzátor 1

2 D1, D2 1N4148 SOD80C Usmerňovacia

dióda 1

1 D3 1N5822 CB429-17 Shottkyho dióda 1

6 D4, D5, D6, D7, D8,

D9 1N4148 SOD80C

Usmerňovacia

dióda 2

1 DIS1 CFAH1602Z-

TMI-ET CFAH1602Z Displej 1

1 G1 CR2430H Držiak batérie 1

1 IC1 MEGA16-A TQFP44 Mikroprocesor 1

1 IC2 PCF8563T SO-08 Obvod reálneho

času 1

1 IC3 7805TV TO220V Stabilizátor 1

4 K1, K4, K2, K3 HF3FF JS-M Relé 2

1 L1 220uH TJ4-U1 Tlmivka 1

1 LM1 LM2595 TO263-5 Step-down menič 1

4

NAP_HLAD,

OUT_HLAD,

NAP_SHT, I2C_SHT

M02 Konektor 1

1 Q1 12MHz HC49U-V Kryštál 1

1 Q2 32,768kHz TC38H Kryštál 1

6 Q3, Q4, Q5, Q6, Q7,

Q8 BSS138 SOT23 Mosfet n-kanál 2

35

1 Q9 BSS138 SOT23 Mosfet n-kanál 1

4 R1, R5, R6, R7 100k R1206 Rezistor 1

1 R2 100R RTRIM3339P Trimer 1

3 R3, R4,R14 4k7 R1206 Rezistor 1

6 R8, R9, R10, R11,

R12, R13 4k7 M1206 Rezistor 2

2 S1, S2 31-XX Tlačítko 1

1 EC12 EC Rotačný enkóder 1

2 VENT1, VENT2 M02 Konektor 2

36

C MERANIE REGULÁCIE TEPLOTY

A VLHKOSTI

Čas[min] Teplota [°C] Relatívna vlhkosť [%]

0 24,3 53

5 24,5 52

10 24 53

15 24,6 54

20 24,9 54

25 25,3 53

30 25,5 53

35 25,7 53

40 25,5 53

45 25,6 54

51,5

52

52,5

53

53,5

54

54,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Re

latí

vna

vlh

kosť

[%

]

Čas [min]

Regulácia vlhkosti pomocou regulačnej jednotky

Nameraná relatívna vlhkosť

Nastavená relatívna vlhkosť

37

23,8

24

24,2

24,4

24,6

24,8

25

25,2

25,4

25,6

25,8

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Tep

lota

[°C

]

Čas [min]

Regulácia teploty pomocou regulačnej jednotky

Nameraná teplota

Nastavená teplota